Tăng cường quá trình nghiền mịn các vật liệu rắn trong sản
xuất xi măng bằng sử dụng các chất trợ nghiền từ các loại
phụ gia hoạt tính bề mặt (Phần 1)
Cập nhật 03:58 pm - 25/05/2009
Quá trình nghiền các vật liệu rắn nói chung có thể được tăng cường
đáng kể nhờ sử dụng hiệu ứng hấp phụ bề mặt làm giảm độ bền liên
kết trong cấu trúc vật liệu theo lý thuyết cấu trúc vi tinh của vật liệu
rắn do Viện sỹ N.A. Rebinder đề xuất đầu tiên – còn gọi là hiệu ứng
hình nêm Rebinder.
1. Cơ chế tăng cường hiệu quả nghiền bằng chất trợ nghiền (grinding aid)
Tất cả các vật thể rắn nhất là vật liệu phi kim loại đều có cấu trúc khuyết tật, cả trên bề
mặt lẫn trong thể tích vật thể. Khi chịu tác dụng của tải trọng phá huỷ (đập, nghiền)
chúng bị biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo làm cho mạng các khuyết tật phát triển và
lan rộng đáng kể, tạo ra các khuyết tật mới ngày càng nhiều trong thể tích vật thể. Các
khuyết tật cấu trúc này như đã thấy trong lý thuyết vi cấu trúc làm giám đáng kể độ bền
liên kết của vật liệu so với trạng thái lý thuyết. Nếu như khi nghiền vật liệu rắn, người ta
tạo ra được sự phát triển lớn số lượng các khuyết tật trong nó thì sự phá huỷ chúng trở
nên dễ dàng hơn, tiêu hao ít năng lượng nghiền đập hơn mà vẫn nâng cao được năng
suất và hiệu quả đập nghiền. Hiệu ứng hấp phụ bề mặt làm lan truyền và phát triển
khuyết tật ở dạng vết nứt vi tinh, làm giảm độ bền liên kết ngay cả khi vật liệu chịu tải
trọng ứng suất nhỏ.
Tác dụng hấp phụ được duy trì trước tiên từ các khuyết tật bề mặt. Sơ đồ các khuyết tật
bề mặt có thể được khảo sát như các vết nứt vi tinh hay các khe nứt hình nêm do cấu
trúc khuyết tật của bề mặt vật liệu. Tại miệng các khe nứt có bề mặt phát triển hoàn toàn
với lực hút tương ứng với năng lượng bề mặt tự do riêng phần lớn nhất σ. Theo mức
sâu dần từ miệng vào sâu đáy khe nứt hình nêm, năng lượng bề mặt tự do nhanh
chóng giảm từ giá trị σ đến 0 (ở đáy khe nứt).
Các mạch vi nứt như vậy cho phép môi trường xung quanh xâm nhập vào sâu bên trong
vật liệu. Sự xâm nhập trong các khe vi nứt của các chất lỏng sẽ hình thành trong chúng
màng mỏng hấp phụ có năng lượng tự do dư khá lớn và có xu hướng tăng mạnh khi
giảm chiều dày của màng chất lỏng hấp phụ, có nghĩa là khi xâm nhập chất lỏng vào

lớp hấp phụ, khi đó xác lập khả năng làm hạ thấp năng lượng bề mặt các vật thể rắn từ
giá trị ban đầu σ
D
đến σ
m’
tương ứng với năng lượng bề mặt tự do riêng của lớp bề mặt
phủ bởi lớp hấp phụ với mức dày đặc m mol/cm
2
. Như vậy lực chuyển động hút vào của
lớp hấp phụ trong khe nứt sẽ là:
P
σ
= σ
0
- σ
m
Áp lực hai cấp này chính là lực tác dụng lên một đơn vị chiều dài của đường ranh giới
phân chia của lớp hấp phụ, áp lực này hướng theo chiều xé rộng vết nứt vào sâu thể
tích vạt thể và làm hạ thấp đáng kể năng lượng bề mặt tự do tạo khả năng phá huỷ dễ
dàng vật thể rắn. Như vậy có thể hiểu một cách đơn giản là: nhờ sự xâm nhập của chất
lỏng và các chất phụ gia hoạt tính bề mặt mà mạng các vết nứt phát triển lớn và rộng
khắp, làm “mềm” đi lớp bề mặt của vật thể rắn, tạo điều kiện thuận lợi cho sự phá huỷ
chúng khi đập và nghiền.
Theo N.A. Rebinder và trường phái của ông thì: Cơ sở hoá lý ảnh hưởng của môi
trường đập nghiền đến quá trình biến dạng và phá huỷ vật thể rắn chính là hiệu ứng
giảm độ bền cơ học của chúng do kết quả hấp phụ các chất hoạt tính bề mặt trên bề
mặt vật thể rắn. Hiệu quả vật lý của hiện tượng này làm hạ thấp năng lượng bề mặt khi
tiếp xúc với môi trường hoạt tính và dẫn tới làm dễ dàng quá trình tạo mầm và phát triển
các vết nứt phá huỷ. Ngoài ra, môi trường hấp phụ hoạt tính còn có ảnh hưởng đặc biệt
về mặt hoá học đến khả năng tách riêng các hạt vật liệu gia công, không cho chúng dính

Qua các thông tin chào hàng và sử dụng thì các chất trợ nghiền do một số hãng chuyên
sản xuất của thế giới như Grace Hồng Kông, Nhật, Tây Đức... như các loại TDA, CBA,
HEA-2 và một loạt các chế phẩm thương mại khác như MTDA, DDA-7, WGA-2, RGA,
CBC, AIRALOW, HYDROPHOBE, VM-15, SDA-40 ngoài tác dụng trợ nghiền chúng còn
có tác dụng bổ trợ ứng dụng khác như tăng năng suất nghiền, khử hoặc ức chế hiện
tượng pack set (agglomeration), hạ thấp lượng nước liên kết khi đóng rắn, tiết kiệm
năng lượng nghiền, tăng độ bền cơ học của đá xi măng, tăng thời gian bảo quản trong
không khí ẩm, tăng tốc độ phát triển cường độ đá xi măng giai đoạn đầu ninh kết, tăng
độ linh động của hồ xi măng và bê tông, giảm hiện tượng tách nước của bê tông khi
đóng rắn...
Về mặt bản chất hoá học, các loại phụ gia cho xi măng kiểu như thế này phần lớn đều là
các chất hoạt tính bề mặt, điện ly mạnh ở dạng dung dịch nước. Chúng thường có bản
tính kiềm pH = 8 – 12, khối lượng thể tích xấp xỉ 1,05 – 1, 09(± 0,02) (g/cm
3
), nặng hơn
nước chút ít và hoà tan tốt trong nước, tạo dung dịch nước độ nhớt thấp, thấm ướt tốt
bề mặt vật thể rắn phi kim loại. Vì vậy các loại phụ gia này được dùng trong các ngành
gốm sứ, vật liệu chịu lửa, đặc biệt trong xi măng thì khá phổ biến, với tác dụng trợ
nghiền chúng được sử dụng khi nghiền mịn, siêu mịn các loại xi măng đặc biệt, xi măng
trắng, các loại pigment màu, đá vôi, đôlômit, xi măng pooclăng puzơlan, xi măng hỗn
hợp, các loại phối liệu cho lò nung clinke xi măng pooclăng gồm đá vôi, đất sét, thạch
anh + phụ gia...
Các nước Đông Âu và Nga nghiên cứu sử dụng các chất trợ nghiền trong công nghiệp
xi măng khá mạnh vào những năm 60. Nhiều công trình nghiên cứu của các tác giả
Đức, Ba Lan, Nga , Tiệp... đưa ra các thông số cụ thể hơn về kết quả nghiên cứu của
họ. Các loại phụ gia trợ nghiền thông dụng được dùng trong quá trình nghiền quartzit,
đá vôi, manhêzit, clinke xi măng ... chủ yếu là: xà phòng naphtalen, chế phẩm từ dầu
mỏ, các loại axit béo hữu cơ C7 - C9, một số muối điện ly và có gốc kiềm (AlCl
3
, NaCl,